Inconel 600 so với Inconel 625 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

Inconel 600 và Inconel 625 là hai hợp kim gốc niken được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng kỹ thuật hiệu suất cao. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất thường cân nhắc khả năng chống ăn mòn, độ bền cơ học, khả năng hàn và chi phí khi lựa chọn. Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm môi trường làm việc ở nhiệt độ cao so với môi trường ăn mòn mạnh, các hạn chế về khả năng gia công và chế tạo, và tính kinh tế của việc bổ sung hợp kim.

Sự khác biệt chính giữa các hợp kim này là chiến lược hợp kim: Inconel 600 là hợp kim sắt crom-niken được tối ưu hóa cho khả năng chống oxy hóa và chống ăn mòn vừa phải với độ ổn định nhiệt độ cao tốt, trong khi Inconel 625 là hợp kim niken-crom-molypden-niobi được thiết kế để có độ bền cao hơn và khả năng chống ăn mòn cục bộ và ăn mòn khe hở vượt trội. Do các phương pháp hợp kim khác nhau này, hai loại hợp kim thường được so sánh khi các nhà thiết kế phải cân nhắc giữa độ bền và khả năng chống ăn mòn cục bộ với chi phí và tính dễ chế tạo.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Inconel 600
• UNS phổ biến: N06600
• Tiêu chuẩn điển hình: ASTM B127/B163 (thanh/que), ASTM B168 (ống), ASTM B564 (rèn), tương đương ASME/ASTM
• Quốc tế: EN (thường được liệt kê trong danh mục hợp kim niken), tương đương JIS/GB trong một số dạng sản phẩm

• Phân loại: Hợp kim gốc niken (họ niken-crom-sắt)

• Inconel 625

• UNS phổ biến: N06625
• Tiêu chuẩn điển hình: ASTM B443/B444 (tấm/tấm), ASTM B443/B444 (dải), ASTM B446 (thanh), tương đương ASME/ASTM
• Quốc tế: Thông số kỹ thuật sản phẩm EN, JIS, GB trong nhiều chuỗi cung ứng
• Phân loại: Hợp kim gốc niken (họ niken-crom-molypden-niobi)

Lưu ý: Cả hai hợp kim đều có gốc niken (không phải cacbon, hợp kim, thép dụng cụ, thép không gỉ hoặc HSLA); chúng thường được chỉ định theo số UNS và được quy định trong thông số kỹ thuật sản phẩm ASTM/ASME dành cho hợp kim niken.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng sau đây tóm tắt các phạm vi thành phần điển hình cho các nguyên tố chính trong mỗi hợp kim (các phạm vi này đại diện cho các thông số kỹ thuật thương mại phổ biến và dạng sản phẩm; tham khảo thông số kỹ thuật ASTM/UNS hiện hành để biết phạm vi chính xác được phép).

Yếu tố	Inconel 600 (phạm vi điển hình, wt%)	Inconel 625 (phạm vi điển hình, wt%)
C	≤ 0,15	≤ 0,10
Mn	≤ 1,0	≤ 0,50
Si	≤ 0,50	≤ 0,50
P	≤ 0,015	≤ 0,015
S	≤ 0,015	≤ 0,015
Cr	14,0–17,0	20,0–23,0
Ni	Số dư (~72)	Số dư (~58)
Mo	—	8,0–10,0
V	—	Dấu vết/không có
Nb (và Ta)	—	3,15–4,15 (Nb+Ta)
Ti	≤ 0,40 (vết)	≤ 0,40
B	—	≤ 0,010
N	≤ 0,10 (vết)	≤ 0,05

Hợp kim ảnh hưởng đến hiệu suất như thế nào - Niken (Ni): Cung cấp khả năng chống ăn mòn cơ bản, độ dẻo dai và độ ổn định của ma trận ở nhiệt độ cao. - Crom (Cr): Góp phần chống oxy hóa và chống ăn mòn nói chung thông qua việc hình thành lớp màng oxit bảo vệ. - Molypden (Mo) và Niobi (Nb): Có trong thép 625 để cải thiện khả năng chống ăn mòn khe hở và rỗ, đồng thời tăng cường độ bền cho thép bằng dung dịch rắn và kết tủa; Nb ổn định cacbua và tạo thành các pha giàu niobi tăng cường độ bền trong một số phương pháp xử lý nhiệt nhất định. - Cacbon, Mn, Si, P, S: Giữ ở mức thấp để giảm thiểu hiện tượng giòn và kiểm soát khả năng hàn và hành vi ăn mòn. Nhìn chung, 600 nhấn mạnh sự cân bằng Ni–Cr–Fe đơn giản hơn cho khả năng chống oxy hóa và chống ăn mòn nói chung, trong khi 625 sử dụng thêm Mo và Nb để đạt được độ bền cao hơn và khả năng chống ăn mòn cục bộ.

3. Cấu trúc vi mô và phản ứng xử lý nhiệt

• Inconel 600:
• Cấu trúc vi mô điển hình: Ma trận niken austenit pha đơn với mạng tinh thể lập phương tâm mặt (FCC); có thể chứa một lượng nhỏ chất kết tủa cacbua (loại MC) ở hàm lượng cacbon cao hơn hoặc sau thời gian tiếp xúc lâu.

• Phản ứng xử lý nhiệt: Thường được cung cấp ở dạng ủ; không phản ứng với quá trình tôi và ram thông thường vì đây là hợp kim niken austenit. Ủ nhiệt độ cao được sử dụng để giảm ứng suất; tiếp xúc kéo dài với một số khoảng nhiệt độ nhất định có thể thúc đẩy quá trình kết tủa cacbua và làm suy giảm crom ở ranh giới hạt, từ đó ảnh hưởng đến khả năng ăn mòn giữa các hạt.

• Inconel 625:

• Cấu trúc vi mô điển hình: Chủ yếu là ma trận FCC được gia cường bằng dung dịch rắn; hợp kim được thiết kế để duy trì trạng thái gia cường bằng dung dịch rắn trong điều kiện xử lý bằng dung dịch chuẩn. Dưới một số điều kiện nhiệt độ nhất định (ví dụ, kéo dài 700–900 °C), các pha thứ cấp như kết tủa giàu Nb (pha γ″ hoặc pha giống δ) và cacbua có thể hình thành, làm tăng độ bền nhưng có thể ảnh hưởng đến độ dẻo và khả năng chống ăn mòn nếu không được kiểm soát.
• Phản ứng xử lý nhiệt: Thông thường, dung dịch được cung cấp đã được xử lý (ổn định) và có thể được gia cường nhẹ theo thời gian bằng phương pháp xử lý nhiệt có kiểm soát tạo ra kết tủa mịn. Nó không được tôi luyện bằng phương pháp tôi và ram thông thường nhưng có thể tăng cường độ nhờ kết tủa các pha giàu Nb.

Quá trình gia công cơ nhiệt (rèn, gia công nguội) tinh chỉnh cấu trúc hạt của cả hai hợp kim, cải thiện độ dẻo dai. Tuy nhiên, gia công nguội có thể làm tăng khả năng bị ăn mòn cục bộ trong môi trường clorua trừ khi được xử lý ứng suất sau hàn hoặc sau tạo hình thích hợp.

4. Tính chất cơ học

Bảng sau đây cung cấp hiệu suất so sánh định tính trong điều kiện sản phẩm thông thường (ủ/xử lý bằng dung dịch). Giá trị chính xác phụ thuộc vào dạng sản phẩm, quá trình xử lý nhiệt và nhiệt độ sử dụng.

Tài sản	Inconel 600 (hành vi điển hình)	Inconel 625 (hành vi điển hình)
Độ bền kéo	Trung bình — tốt ở nhiệt độ cao	Cao hơn — được tăng cường bởi dung dịch rắn Mo/Nb và kết tủa
Sức chịu lực	Vừa phải	Cao hơn (cao hơn đáng kể trong điều kiện xử lý bằng dung dịch hoặc lâu năm)
Độ giãn dài (độ dẻo)	Độ dẻo tốt trong điều kiện ủ	Độ dẻo tốt nhưng có thể giảm nếu được gia cường bằng kết tủa
Độ bền va đập	Tốt trong phạm vi nhiệt độ rộng; vẫn giữ được độ dẻo dai ở nhiệt độ T cao	Độ dẻo dai tốt; nhìn chung tương đương hoặc thấp hơn một chút ở nhiệt độ phòng khi mạnh hơn
Độ cứng	Trung bình (tương đối mềm khi ủ)	Cao hơn (độ cứng tăng lên do hợp kim và khả năng kết tủa)

Giải thích - Inconel 625 được thiết kế để có độ bền tĩnh và độ bền kéo cao hơn Inconel 600 nhờ hiệu ứng kết hợp của Mo và Nb. Do đó, Inconel 625 thường có độ bền kéo và độ bền chảy cao hơn, đặc biệt là ở nhiệt độ vận hành và trong các bộ phận cần ổn định hoặc lão hóa. Inconel 600, mặc dù bền và ổn định ở nhiệt độ cao, nhưng có độ bền tương đối thấp hơn nhưng thường dẻo hơn và dễ tạo hình hơn.

5. Khả năng hàn

Cả hai hợp kim đều có thể hàn được bằng các quy trình phù hợp, nhưng vẫn có sự khác biệt:

• Inconel 600:
• Hàm lượng carbon thấp và không có lớp phủ carbide bền chắc khiến nó thường có thể hàn được với các kim loại độn hợp kim niken thông thường. Nó không dễ bị cứng ở vùng HAZ như thép carbon.

• Vì Inconel 600 là austenit một pha nên nó có mối lo ngại thấp về khả năng làm cứng từ cacbon; khả năng nứt nóng ở mức trung bình và có thể được quản lý bằng các thông lệ đã được thiết lập.

• Inconel 625:

• Cũng dễ hàn; tuy nhiên, độ bền và hợp kim cao hơn (Mo, Nb) làm tăng khả năng nứt do ứng suất và nhu cầu về quy trình hàn được kiểm soát và khớp nối vật liệu hàn.
• Xử lý nhiệt sau khi hàn đôi khi được sử dụng để giảm ứng suất dư ở các phần dày hơn.

Chỉ số khả năng hàn (diễn giải định tính) - Công thức tương đương cacbon IIW và Pcm giúp dự đoán rủi ro nứt hydro/rủi ro tôi cứng trong thép; mặc dù được thiết kế riêng cho thép, nhưng chúng minh họa loại phân tích được sử dụng cho khả năng hàn:

$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

• Diễn giải: Đối với hợp kim niken, việc áp dụng trực tiếp các công thức này bị hạn chế, nhưng sự hiện diện của Nb và Mo trong 625 làm tăng các số hạng tử số tương tự với độ tôi cao hơn—nghĩa là cần chú ý hơn đến nhiệt lượng hàn, lựa chọn vật liệu hàn và xử lý trước/sau hàn. Nhìn chung, cả hai hợp kim đều hàn tốt khi sử dụng các quy trình đạt tiêu chuẩn và kim loại hàn phù hợp.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Hành vi ăn mòn:
• Inconel 600: Khả năng chống oxy hóa và nhiều môi trường ăn mòn tốt; hoạt động tốt trong môi trường oxy hóa ở nhiệt độ cao và chống ăn mòn nói chung trong nhiều môi trường. Khả năng chống ăn mòn kém hơn Inconel 625 trong các môi trường chứa clorua hoặc khử mạnh, gây rỗ, ăn mòn khe hở hoặc nứt do ăn mòn ứng suất.
• Inconel 625: Khả năng chống ăn mòn tại chỗ (rỗ và khe hở) và chống lại nhiều loại axit khử và môi trường chứa clorua nhờ Mo và Nb vượt trội; thường là lựa chọn ưu tiên khi khả năng chống ăn mòn tại khe hở và khe hở là rất quan trọng (ví dụ: hệ thống nước biển, xử lý hóa chất).
• Chỉ số thép không gỉ:
• PREN (Số tương đương khả năng chống rỗ) thường được áp dụng cho thép không gỉ và được tính như sau:

$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$

• PREN thường không được sử dụng cho các hợp kim gốc niken như Inconel 600/625; tuy nhiên, công thức này minh họa vai trò quan trọng của Mo và N trong khả năng chống rỗ. Đối với hợp kim niken, thành phần tuyệt đối (Cr, Mo, Ni, Nb) và độ ổn định của màng thụ động trong một môi trường nhất định quyết định hiệu suất.
• Bảo vệ bề mặt:
• Hệ thống mạ kẽm và sơn tiêu chuẩn hiếm khi được sử dụng trên hợp kim niken trong môi trường ăn mòn nhiệt độ cao; các phương pháp xử lý bề mặt tập trung vào hoàn thiện cơ học, thụ động hóa và phủ lớp phủ phù hợp khi cần thiết. Trong các ứng dụng không quan trọng, có thể sử dụng sơn hoặc ốp lên các bề mặt ít tốn kém hơn.

7. Chế tạo, Khả năng gia công và Khả năng định hình

• Khả năng gia công:
• Cả hai hợp kim này đều được coi là khó gia công hơn so với thép cacbon. Inconel 625 thường cứng hơn và bền hơn, khiến việc gia công trở nên khó khăn hơn (yêu cầu tốc độ chậm hơn, độ cứng cao hơn và dụng cụ chắc chắn). Inconel 600 dễ gia công hơn một chút nhưng vẫn yêu cầu dụng cụ carbide và các thông số kỹ thuật bảo thủ.
• Khả năng định hình:
• Inconel 600 tương đối dẻo khi ủ và có thể dễ dàng tạo hình trong nhiều quy trình cán tấm/tấm. Inconel 625, mặc dù có thể tạo hình, nhưng cần lực lớn hơn và có thể đàn hồi tốt hơn do có giới hạn chảy cao hơn.
• Hoàn thiện bề mặt và đánh bóng:
• Cả hai đều có bề mặt hoàn thiện chất lượng cao và có thể được đánh bóng điện hóa hoặc đánh bóng cơ học để cải thiện khả năng chống ăn mòn trong quá trình sử dụng. Quá trình mài và hoàn thiện nên được tính đến trong quá trình làm cứng bằng thép 625.

8. Ứng dụng điển hình

Inconel 600	Inconel 625
Các bộ phận gia nhiệt, thành phần lò nung và ống bảo vệ nhiệt điện trở (chống oxy hóa ở nhiệt độ cao)	Các thành phần quy trình hóa học (bộ trao đổi nhiệt, đường ống) có môi trường clorua, hệ thống nước biển và các thành phần chống ăn mòn ngoài khơi
Máy phát hơi nước, ống lót đốt và bu lông nhiệt độ cao nơi khả năng chống oxy hóa là quan trọng	Các thành phần của tua bin khí, tên lửa và phần cứng hàng không vũ trụ yêu cầu độ bền trên trọng lượng cao và khả năng chống ăn mòn
Thiết bị phòng thí nghiệm và chế biến thực phẩm có khả năng chống ăn mòn chung với chi phí vừa phải là chấp nhận được	Mặt bích, ốc vít và vật liệu hàn cho môi trường khắc nghiệt hoặc dễ nứt nẻ đòi hỏi độ bền cao

Cơ sở lựa chọn - Chọn Inconel 600 khi khả năng chống oxy hóa, độ ổn định nhiệt và chi phí là ưu tiên hàng đầu và môi trường hoạt động không yêu cầu khả năng chống ăn mòn cục bộ quá mức. - Chọn Inconel 625 khi yêu cầu chính là độ bền tĩnh hoặc độ bền tuần hoàn cao hơn và khả năng chống rỗ/kẽ hở/ăn mòn ứng suất trong môi trường clorua hoặc môi trường khử, biện minh cho chi phí hợp kim cao hơn.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí tương đối: Inconel 625 thường đắt hơn Inconel 600 do hàm lượng Mo và Nb cao hơn và chi phí hợp kim đi kèm. Giá cả thay đổi tùy theo thị trường nguyên liệu thô toàn cầu (Mo, Nb, Ni).
• Tính khả dụng theo dạng sản phẩm: Cả hai hợp kim đều được cung cấp rộng rãi dưới dạng ống, ống dẫn, tấm, lá, thanh, dây và vật liệu hàn. Inconel 625 có sẵn rộng rãi ở dạng nặng và dạng kỹ thuật do nhu cầu trong ngành hàng không vũ trụ và xử lý hóa chất; Inconel 600 vẫn phổ biến trong các phần cứng chịu nhiệt độ cao nói chung.
• Thời gian giao hàng: Các hình dạng đặc biệt, rèn lớn hoặc giao hàng được xử lý nhiệt đặc biệt sẽ làm tăng thời gian giao hàng cho cả hai hợp kim; 625 đôi khi có thời gian giao hàng dài hơn đối với các sản phẩm rèn lớn, có tính toàn vẹn cao hoặc các hình dạng rèn tùy chỉnh.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng tóm tắt (so sánh tương đối)

Hệ mét	Inconel 600	Inconel 625
Khả năng hàn	Tốt — đơn giản với chất độn Ni tiêu chuẩn	Tốt — yêu cầu các quy trình được kiểm soát đối với các phần dày hơn
Sức mạnh-Độ dẻo dai	Độ bền vừa phải, độ dẻo dai tuyệt vời ở T cao	Độ bền cao hơn, độ dẻo dai rất tốt; độ dẻo có thể giảm nếu được gia cường bằng kết tủa
Khả năng chống ăn mòn (chung)	Chống oxy hóa và ăn mòn tổng thể tuyệt vời	Khả năng chống rỗ/kẽ hở và clorua vượt trội
Trị giá	Thấp hơn (tương đối)	Cao hơn (tương đối)

Khuyến nghị cuối cùng - Chọn Inconel 600 nếu: - Ứng dụng này yêu cầu khả năng chống oxy hóa ở nhiệt độ cao và khả năng chống ăn mòn nói chung với chi phí hợp kim thấp hơn. - Tính đơn giản trong chế tạo và tính dẻo dai trong tạo hình là quan trọng. - Môi trường dịch vụ không có hiện tượng rỗ hoặc tạo khe hở mạnh (ví dụ: hàm lượng clorua hạn chế).

• Chọn Inconel 625 nếu:
• Ứng dụng này đòi hỏi độ bền tĩnh hoặc độ bền kéo dài cao hơn, hoặc khả năng chống rỗ, ăn mòn khe hở và nứt do ăn mòn ứng suất do clorua vượt trội.
• Bộ phận này sẽ hoạt động trong môi trường hóa chất khắc nghiệt (nước biển, axit khử) hoặc dưới tải trọng cơ học nghiêm trọng, trong đó độ bền trên trọng lượng và khả năng chống ăn mòn lâu dài biện minh cho chi phí bổ sung.
• Kết cấu hàn yêu cầu vật liệu hàn có độ bền cao và khả năng chống ăn mòn cục bộ tại các mối nối.

Ghi chú kết thúc Việc lựa chọn giữa Inconel 600 và Inconel 625 phụ thuộc vào ứng dụng cụ thể: đánh giá môi trường (clorua, các chất khử, nhiệt độ), tải trọng cơ học, các hạn chế chế tạo và tổng chi phí vòng đời. Đối với các hệ thống quan trọng, hãy xác nhận lựa chọn bằng cách thử nghiệm vật liệu trong điều kiện vận hành điển hình và tham khảo các tiêu chuẩn áp dụng cũng như nhà cung cấp vật liệu để biết thành phần chính xác và dữ liệu về đặc tính cơ học của dạng sản phẩm đã chọn.